底土出露影响碳循环胞外酶活性及其与微生物群落的关系

Effects of subsoil exposure on carbon-cycling extracellular enzyme activities and their relationships with microbial communities

摘要

目的 探究侵蚀环境中表层土壤剥离导致的底土出露对底土中胞外酶活性及其驱动微生物群落的影响机制，为评价和预测坡改梯工程碳循环生态效应提供理论依据。 方法 通过模拟黄土区梯田建设过程中的底土出露情景，对比分析了对照土壤和底土出露条件下3个土层（0—20 cm，20—60 cm，60—100 cm）中碳循环相关胞外酶（β-D-木糖苷酶、β-D-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶）活性及微生物群落差异。 结果 （1） 与对照土壤相比，中层（20—60 cm）和深层（60—100 cm）出露显著提高了β-D-木糖苷酶（分别增加122.0%和112.1%）和β-D-葡萄糖苷酶活性（分别增加90.2%和194.4%），纤维二糖水解酶则表现为中层活性显著增加（增加360.5%），而深层活性显著降低（下降65.3%）；出露表层（0—20 cm）的3种酶活性无显著变化。（2） 微生物群落方面，中层、深层出露后细菌和真菌丰富度（Chao1）保持稳定，但深层出露显著增加了细菌多样性（Shannon，增加5.5%）。在门水平上，中层、深层出露后细菌三大优势菌门（变形菌门、放线菌门、酸杆菌门）相对丰度增加。真菌子囊菌门相对丰度在中层出露后降低，但在深层出露后增加。（3） 功能策略上，中层、深层出露后细菌群落的寡养菌/富养菌比值显著降低（分别下降16.6%和28.1%），而真菌群落无显著变化。（4） 相关性分析表明，3种胞外酶活性与细菌丰富度和多样性呈显著正相关；β-D-木糖苷酶和β-D-葡萄糖苷酶活性与细菌寡养/富养比值呈显著负相关。 结论 底土出露通过微生物群落重构与细菌营养策略（从寡养型向富养型）转变，可提高特定胞外酶活性，加速碳周转。

Abstract

Objective This study aims to investigate the mechanisms by which subsoil exposure resulting from topsoil removal in erosion environments affects subsoil extracellular enzyme activities and their associated microbial communities， thereby providing a theoretical basis for evaluating and predicting the ecological effects of carbon cycling in slope-to-terrace conversion projects. Methods Subsoil exposure scenarios during terrace construction in the loess region were simulated， and the activities of carbon-cycling extracellular enzymes （β-D-xylosidase， β-D-glucosidase， and cellobiose hydrolase） and microbial community differences in three soil layers （0—20 cm， 20—60 cm， 60—100 cm） under control and exposed subsoil conditions were compared and analyzed. Results （1） Compared with the control soil， exposure in the middle （20—60 cm） and deep （60—100 cm） layers significantly increased the activities of β-D-xylosidase （by 122.0% and 112.1%， respectively） and β-D-glucosidase （by 90.2% and 194.4%， respectively）. Cellobiose hydrolase activity increased significantly in the middle layer （by 360.5%） but decreased significantly in the deep layer （by 65.3%）. No significant changes were observed in the activities of the three enzymes in the exposed surface layer （0—20 cm）. （2） In terms of microbial communities， the richness of bacteria and fungi （Chao1） remained stable after exposure in the middle and deep layers， but bacterial diversity （Shannon） increased significantly in the deep layer （by 5.5%）. At the phylum level， the relative abundances of the three dominant bacterial phyla （Proteobacteria， Actinobacteria， and Acidobacteria） increased after exposure in the middle and deep layers. The relative abundance of the fungal Ascomycota decreased after middle-layer exposure but increased after deep-layer exposure. （3） Regarding functional strategies， the ratio of oligotrophic to copiotrophic bacteria in the bacterial community significantly decreased after exposure in the middle and deep layers （by 16.6% and 28.1%， respectively）， while no significant changes were observed in the fungal community. （4） Correlation analysis showed that the activities of the three extracellular enzymes were significantly positively correlated with bacterial richness and diversity. The activities of β-D-xylosidase and β-D-glucosidase were significantly negatively correlated with the ratio of bacterial oligotrophs to copiotrophs. Conclusion Subsoil exposure enhances the activities of specific extracellular enzymes and accelerates carbon turnover by promoting microbial community restructuring and shifting bacterial nutritional strategies from oligotrophic to copiotrophic bacteria.

Graphical abstract

关键词

土壤侵蚀 / 底土出露 / 酶活性 / 微生物群落结构

Key words

soil erosion / subsoil exposure / enzyme activity / microbial community structure

土壤微生物分泌的胞外酶是驱动土壤生物地球化学循环的核心，通过催化有机质的分解、转化及合成过程，直接影响土壤物质循环和能量流动^［1］。其中，参与碳循环的胞外酶活性尤为关键，它不仅调控着土壤有机碳（SOC）矿化与稳定的限速步骤，还灵敏地反映了微生物对养分资源状况和环境扰动的响应策略^［2］。因此，研究土壤胞外酶活性变化对深入理解土壤碳循环动态及其调控机制具有重要意义。

土壤剖面中，土壤酶活性通常随着深度增加而变化，β-D-木糖苷酶和纤维二糖水解酶表层活性最高且存在随深度减少的趋势^［3］，但也有研究发现β-葡萄糖苷酶活性在底土中显著高于表土等结论^［4］。酶活性的垂直分布差异是生物因素和非生物因素共同作用的结果，其中底物可利用性及养分限制是最主要因素^［3］。Peng^［5］和Stone^［6］等发现，深层SOC含量降低，微生物通过提高代谢效率来应对碳源匮乏，土壤碳循环酶活性（β-葡萄糖苷酶、β-D-木糖苷酶和纤维二糖水解酶）在土壤剖面中随深度增加而上升。然而，Herold等^［7］发现深层SOM高度腐殖化，难以被微生物利用，以及SOC含量下降可限制微生物的代谢活性，进而抑制胞外酶合成。这种矛盾现象在侵蚀区更为显著，严重的水土流失或大规模坡改梯过程常导致表层土壤剥离，使深层土壤（底土）直接出露地表。底土出露伴随团聚体结构破碎，不仅降低土壤孔隙度和联通性，限制微生物活动，也减弱团聚体对SOC的保护作用，导致资源可用性降低，从而抑制土壤酶活性^［8］。土层出露后水热条件的改变对酶活性影响复杂：水分降低限制养分流动和微生物迁移，抑制β-葡萄糖苷酶活性^［9］；但通气环境改善与氧含量增加可促进胞外酶分泌^［10］。同时，深层土壤出露加剧土壤温度波动，小幅度波动可刺激微生物活动，促进β-葡萄糖苷酶活性增加和SOM分解；大幅度波动则促使微生物生理策略转变，减少酶生产的资源投入，导致酶活性减弱^［11］。此外，土层出露引发微生物群落结构演替（如绿弯菌门等丰度增加、细菌丰富度降低）^［12］，通过调控基因表达的结果影响酶活性。底土出露背景下，土壤环境呈现多维度复杂变化，碳相关土壤酶活性及其与微生物群落变化尚不明确。

黄土高原是全球土壤侵蚀严重的区域之一。为控制水土流失，当地持续实施了包括坡耕地整治和治沟造地等在内的一系列生态工程，取得了显著的生态效益^［13］。坡改梯作为关键治理措施，通过沿等高线进行挖填作业，有效降低了坡面坡度，但同时也强烈扰动了原状土体，造成不同深度的底土出露^［14］。但底土出露条件下，土壤酶活性和微生物群落变化及其对土壤有机碳的影响尚不清楚。基于此，本研究通过模拟底土出露情景，设置不同出露深度处理，测定与碳循环相关的土壤胞外酶活性，并结合土壤理化性质与微生物群落结构（细菌与真菌）的系统分析，旨在深入揭示坡改梯工程背景下土壤胞外酶活性对土层出露的响应规律及其驱动机制。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于“陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站（简称“长武站”）进行。长武站位于陕西省咸阳市长武县王东沟小流域（107°42′E，35°16′N）。研究区域为大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，年降雨量为560 mm，7—9月降雨量占年总降水量的54%左右。年均蒸发量1 565 mm，年平均气温9.4 ℃，≥10 ℃积温3 029 ℃，年日照时间为2230 h，年辐射总量为4 840 MJ/cm²，无霜期171 d。地带性土壤为黏壤质黑垆土，母质为深厚的中壤质马兰黄土，土层深厚，土质疏松。

表层土壤 （0—20 cm）有机碳浓度为6.50 g/kg，总氮0.80 g/kg，碳酸钙10.5%，黏粒含量24%，田间持水量为0.29 cm³/cm³，pH值为8.4。

1.2 试验设计

本研究选择未受侵蚀的塬面农田为试验样地采集用于培养试验的土壤。首先清除样地内的杂草和地表的凋落物，设定3个0—100 cm土壤剖面，分三层（0—20 cm，20—60 cm和60—100 cm）采集土壤样品，分别模拟坡改梯建设过程导致的不同土层出露，如20—60 cm亚表层模拟古耕作层出露，60—100 cm土层模拟过渡层出露（图1）。

将土壤样品带回实验室进行风干并过2 mm筛，统一调整初始含水量为12%，分层装于培养盆中 （口径32 cm，高度25 cm），统一控制土壤容重为1.25 g/cm³ （土壤原位容重），填装下一层土壤之前将表土打毛以消除两层土壤之间的垂直层理。为保证更接近田间温度情况，培养盆随机布设埋于试验站干旱棚地下，每个处理重复三次。培养时间为7月至次年10月，共计488 d。

1.3 土壤样品采集

样品采集分为2组，在试验扰动之前，采样原位农田0—20 cm，20—60 cm和60—100 cm土壤样品作为对照 （CK），培养试验结束后，利用3 cm的土钻从各培养盆中采集土壤。重复3次新鲜土样通过2.0 mm筛后分成3部分：一部分自然风干用于测定土壤有机碳（Soil Organic Carbon， SOC）和全氮（Total Nitrogen， TN）；一部分储存于4 ℃冰箱冷藏，以测定土壤酶活性、土壤可溶性有机碳（Dissolved Organic Carbon， DOC）、微生物量碳（Microbial Biomass Carbon， MBC）、硝铵态氮（NO₃^--N， NH₄⁺-N）含量等；第三部分-80 ℃存储，用于DNA提取，分析土壤微生物群落结构。

1.4 土壤理化性质及胞外酶测定

土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾外加热法。土壤全氮（TN）采用凯氏定氮法。土壤硝态氮（NO₃^--N）和铵态氮（NH₄⁺-N）利用流动分析仪（AA3， Bran+Luebbe， Germany）测定。土壤微生物量碳（MBC）含量采用氯仿熏蒸-提取法测定。氯仿熏蒸-提取法中，未进行氯仿熏蒸处理的样品提取的碳含量即为土壤可溶性有机碳（DOC），采用微孔板荧光法测定3种参与碳循环胞外酶活性，胞外酶所对应底物及浓度如表1所示。酶活性用标准方程来计算，单位为nmol/（g · h）^［15］。

1.5 DNA提取和高通量测序

采用 FastDNA®SPIN Kit试剂盒 （MP Bioch-emicals， USA）和MP FastPrep-24核酸提取仪提取土壤中的DNA。使用带Barcode的特异引物进行PCR扩增：338F和806R扩增细菌16S rRNA基因V3-V4区域，ITS1和ITS2扩增真菌ITS基因区域。在Illumina MiSeq 2500平台（Illumina， Inc.，圣地亚哥，美国）上进行高通量测序。使用UPARSE-OTU算法基于97%相似度进行OTU聚类。

1.6 数据分析方法

采用SPSS（IBM SPSS Statistics 26.0）软件对土壤性质进行单因素方差分析以及对酶活性和α多样性指数进行独立样本T检验。酶活性以及微生物群落相关图使用Origin绘制。采用Canoco5.0对土壤基本理化性质与微生物群落进行冗余分析（Redundancy Analysis， RDA），采用R4.3.0中“corrplot”数据包绘制微生物群落结构与土壤酶活性的Pearson相关关系图。

2 结果与分析

2.1 底土出露对土壤理化性质及胞外酶活性的影响

出露土壤的土壤水分相较对照土壤在0—20 cm显著降低了41.6%，其余理化性质无显著变化（表2）。20—60 cm土层出露后N_min显著增加104.3%，C/N和土壤水分分别显著降低34.1%以及39.3%。60—100 cm土层出露后DOC， N_min，C/N均显著增加（634.1%，51.1%，427.3%）。土壤MBC在出露土壤和对照土壤之间差异不显著。60—100 cm土层出露相较20—60 cm土层出露，土壤水分和C/N显著增加（p<0.05），N_min显著降低。理化性质对深层土壤出露响应更为剧烈，与亚表层可能存在本质差异，受土层原有环境、水分运动及物质淋溶等调控。

出露土壤的3种碳循环酶活性相对于原位土壤在0—20 cm无显著变化（图2）。与原位土壤相比，20—60 cm土层出露后β-D-木糖苷酶活性、β-D-葡萄糖苷酶活性以及纤维二糖水解酶活性均显著增加（122.0%，90.2%，360.5%）；60—100 cm土层出露后β-D-木糖苷酶活性和β-D-葡萄糖苷酶活性显著增加（112.1%，194.4%），而纤维二糖水解酶活性显著降低65.3% （p<0.05）。60—100 cm土层出露相比20—60 cm土层出露3种碳循环酶活性均降低。总的来说，20—60 cm土层出露后，碳循环酶活性显著增强，其中纤维二糖水解酶活性响应更敏感。深层土壤出露酶活性降低，可能是由于底物储备和微生物群落差异。

2.2 底土出露对细菌和真菌群落结构的影响

土层出露显著影响细菌群落的丰富度 （Chao1）和多样性 （Shannon），对真菌群落丰富度和多样性无显著影响（图3）。这一结果可能与真菌自身的环境胁迫抵抗能力有关。出露土壤的细菌丰富度和多样性相比对照土壤在0—20 cm显著降低。20—60 cm土层出露细菌多样性增加0.8%，丰富度降低4.6%，变化幅度较小，表明亚表层出露对细菌群落的影响较小。60—100 cm土层出露后细菌丰富度增加8.1%；60—100 cm土层出露显著增加细菌多样性 （5.5%）（p<0.001）。60—100 cm土层出露相比20—60 cm土层出露，细菌丰富度和多样性分别降低6.0%和1.3%。细菌群落对深层土壤出露效应最积极，可能与该土层DOC， N_min剧烈激增相关（表2）。

从细菌群落组成看，变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）是细菌群落的3个优势菌门（图4A）。与对照土壤相比，出露土层0—20 cm的变形菌门（1.6%）、放线菌门（40.8%）、芽单胞菌门（29.3%）相对丰度增加，酸杆菌门（11.3%）、厚壁菌门（42.5%）、硝化螺旋菌门（32.7%）相对丰度降低。20—60 cm和60—100 cm土层出露后变形菌门 （3.2%和21.5%）、放线菌门 （18.9%和24.3%）、酸杆菌门 （5.6%和3.8%）、厚壁菌门（Firmicutes）（15.6%和22.0%）、拟杆菌门（Bacteroidetes）（89.2%和138.8%）的相对丰度增加，芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）（6.3%和7.1%）和硝化螺旋菌门（Nitrospirae）（63.0%和64.1%）的相对丰度降低。亚表层和表层土层出露后，优势菌门相对丰度整体升高，或与出露导致的营养条件改善有关。60—100 cm土层出露相较于20—60 cm土层出露，变形菌门、芽单胞菌门和厚壁菌门的相对丰度降低，而放线菌门、酸杆菌门、拟杆菌门、浮霉菌门、绿弯菌门和硝化螺旋菌门的相对丰度增加，可能标志着微生物群落的演替。

从真菌群落结构看，与对照土壤相比，出露土层0—20 cm的子囊菌门（64.2%）、担子菌门（38.6%）的相对丰度降低，被孢霉门的相对丰度增加（438.6%）（图4B）。20—60 cm土层出露后子囊菌门（Ascomycota）（48.9%）和担子菌门（Basidiomycota）（82.4%）的相对丰度降低，被孢霉门（Mortierellomycota）（282.4%）相对丰度增加；60—100 cm土层出露后子囊菌门（53.1%）和被孢霉门（42.1%）相对丰度增加，担子菌门（76.5%）相对丰度降低。60—100 cm土层出露相比20—60 cm土层出露，子囊菌门相对丰度增加，被孢霉门的相对丰度降低，担子菌门相对丰度差异不大。

根据微生物分类群的生长、繁殖、竞争和适应策略将其分为r和K策略，r策略（富营养型微生物）在资源丰富时快速生长，消耗不稳定土壤有机碳库，而K策略（寡营养型微生物）更适合可用性低的稳定碳库^［16］。富营养型微生物，如α变形菌（Alphaproteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和子囊菌门（Ascomycota），寡营养型微生物，如酸杆菌门（Acidobacteria）和担子菌门（Basidiomycota）^［17］。土壤细菌群落的营养策略通过寡养菌相对丰度加和与富养菌相对丰度加和的比值来表征（（放线菌+酸杆菌+浮霉菌+绿弯菌+芽单胞菌+δ-变形菌）/（α-变形菌+γ-变形菌+厚壁菌+拟杆菌））；类似地，土壤真菌群落的营养策略由（担子菌/子囊菌）表征（图5）。研究结果表明，出露土壤的细菌和真菌营养策略相对于原位土壤在0—20 cm无显著变化。20—60 cm和60—100 cm土层出露显著降低细菌群落寡养菌/富养菌比值（16.6%和28.1%）（p<0.05），而真菌群落寡养菌/富养菌比值无显著变化。

2.3 土壤微生物群落及酶活性的影响因素

通过冗余分析探究土壤微生物群落变化的环境驱动因子。结果表明，环境因子解释土壤微生物群落结构变异的43.36%，第一轴28.76%和第二轴14.60%（图6）。土壤全氮（p=0.002）和土壤水分（p=0.002）是显著影响微生物群落在对照土壤和出露土壤之间变异性的因素。土壤SOC、TN、C/N、DOC和N_min与细菌和真菌丰富度以及多样性、变形菌门、酸杆菌门和被孢霉门的相对丰度呈正相关。土壤C/N（DOC/N_min）、TN分别与细菌丰富度和多样性存在较强正相关，土壤水分与细菌和真菌寡养菌/富养菌比值存在较强正相关，与细菌丰富度和多样性呈负相关。

通过Pearson相关性分析探究土壤酶活性的影响因素（图7）。结果表明，3种碳循环酶活性与DOC、MBC和N_min存在显著正相关。β-D-木糖苷酶活性、β-D-葡萄糖苷酶活性与C/N呈显著正相关，而纤维二糖水解酶活性与C/N无显著相关性。3种碳循环酶活性与细菌丰富度和多样性呈显著正相关（p<0.001），说明微生物群落的结构特征在土壤碳转化功能中发挥积极作用。β-D-木糖苷酶活性、β-D-葡萄糖苷酶活性与细菌寡养/富养比值存在显著负相关关系（p<0.01），与酸杆菌门（p<0.05）相对丰度存在显著正相关关系。β-D-木糖苷酶活性（p<0.001）、β-D-葡萄糖苷酶活性（p<0.001）以及纤维二糖水解酶活性（p<0.05）与变形菌门存在显著正相关关系。

3 讨 论

3.1 底土出露对微生物群落的影响

底土出露改变了深层土壤的微环境（如湿度、养分可利用性等）。这种环境变化强烈筛选了微生物群落：淘汰了适应深层寡营养环境的类群（如芽单胞菌门、部分担子菌），促进了适应新环境中相对较高养分可利用性的富营养型、机会型类群（如变形菌门、放线菌门）的生长和优势。

本研究发现，底土出露显著影响细菌丰富度和多样性，真菌群落无显著变化，是由于真菌群落具有更高的抗干扰性和稳定性。这也意味着长期土层扰动，真菌的恢复能力落后于细菌，环境重建后可能失去繁殖能力，影响生态系统功能^［18］。出露土层0—20 cm的细菌丰富度和多样性显著降低（p<0.01），这一变化与本研究中土壤水分显著降低（41.6%）有关 （表2）。土壤水分降低限制底物扩散，从而抑制细菌代谢活性。这一机制与Mabuhay等^［19］的发现一致，相较未受干扰地区，表土流失深度超过30 cm侵蚀区的水分含量更低，微生物多样性下降。在20—60 cm土层出露后，土壤水分降低（39.3%），并且由于表土层的剥离、土壤物理结构 （土壤团聚体破裂）以及微生物栖息地的破坏，细菌暴露在空气中导致其对基质可及性降低^［12］，细菌丰富度下降。此外，深层土壤出露后，土壤DOC（634.1%）和N_min（51.1%）大幅增加能缓解细菌的资源限制，提供更大的资源可用性，导致细菌丰富度和多样性显著增加。

与原位土壤相比，土层出露的细菌和真菌群落存在差异。本研究结果显示，亚表层和深层土壤出露后，土壤DOC（634.1%~32.1%）和N_min含量（104.3%~51.1%）显著增加，土壤水分降低（39.3%~30.3%）。在此环境下，变形菌门、酸杆菌门、放线菌门的相对丰度均增加，而芽单胞菌门相对丰度降低。具体而言，变形菌〔以占主导地位的α-变形菌+γ-变形菌（占比70%以上）为代表〕作为富营养菌，适宜在富含不稳定碳及营养丰富的环境中生长，土层出露后DOC和N_min显著升高为其生长提供有利条件，因而相对丰度增加；相反，寡养型的芽单胞菌在养分富集的环境中被抑制，导致相对丰度降低。这与前人的研究结果一致，土壤养分变异性介导侵蚀对微生物群落的影响^［20］。冗余分析进一步显示，土壤水分是驱动微生物群落变化的关键因子（p<0.01）。放线菌因其对资源匮乏和干燥条件有较强的抵抗力^［21］，生态适应性使其在土层出露后水分减少（41.6%~30.3%）时获得竞争优势，相对丰度增加，这与冗余分析揭示的负相关关系一致（图6）。酸杆菌被认为是寡养型菌且对干旱敏感，但本研究中相对丰度仍上升，可能由于酸杆菌不同亚门之间存在生态位差异，且生活策略不同。例如酸杆菌门第6亚群作为导致其整体丰度变化的主要类群，与富营养型生活方式相关，以及不同亚群的干燥耐受性不同^［22］。

本研究发现，深层土壤出露后真菌群落结构发生变化，子囊菌门、被孢霉门相对丰度增加，而担子菌门相对丰度减少。土壤真菌水分胁迫阈值差异较大，可以通过菌丝在土壤孔隙中的生长和对水分分配的重新利用，来缓解水分胁迫引起的生理反应及扩散和运输限制^［23］。因此土层出露60—100 cm后，子囊菌菌丝网络可以在水分有限（下降30.3%）的情况下被迫扩张，获得更多养分和水分，并且DOC显著增加（634.1%）提供了充足碳源，弥补水分降低限制，维持了竞争活力，相对丰度得以提升。深层土壤出露后，担子菌门相对丰度降低。该类群作为寡养型菌，对养分敏感。深层土壤出露后的N_min（51.1%）和DOC（634.1%）大幅增加，打破了其适宜的低营养环境，不利于其生长；同时，水分达到阈值导致菌丝延伸受阻，养分获取效率降低，导致其竞争力减弱，相对丰度降低。被孢霉门相对丰度增加可能是其在水分胁迫情况下生存机会大^［24］。

本研究发现，底土出露后细菌和真菌群落的生活史策略表现为从K策略向r策略转变（p<0.05，图5），这种转变与土壤养分状况的剧烈改变相关，高资源可用性促进了富养型类群的生长，如拟杆菌门、厚壁菌门等相对丰度增加。鉴于富营养类群具有更高的底物使用率、代谢活性率以及周转率^［25］，因此从K策略到r的转变反映了碳周转率的增加。

3.2 底土出露对碳循环胞外酶活性的影响

重组后的微生物群落（更高的生物量、多样性、富营养菌门丰度、富养策略）为了利用新环境中相对丰富的资源（包括新输入的有机质和暴露后可能矿化的原有有机质），显著提高了关键碳水解酶（尤其是针对易利用碳源的β-木糖苷酶和β-葡萄糖苷酶）的分泌和活性。

亚表层土壤出露后，土壤碳循环酶活性，包括β-D-木糖苷酶活性（BX）、β-D-葡萄糖苷酶活性（BG）和纤维二糖水解酶（CB）活性显著增加；深层土层出露后，除CB活性显著降低外，其余碳循环酶活性均显著增加（p<0.05，图2）。这3种碳循环酶在有机质分解中发挥重要作用，其活性受到资源可用性的限制。Pearson相关性分析表明，DOC、MBC含量与BX、BG活性均呈显著正相关关系。本研究中亚表层和深层土壤出露后，DOC含量从4.31~19.08 mg/kg增加到25.2~31.64 mg/kg，N_min从18.58~22.70 mg/kg增加到28.07~46.37 mg/kg，DOC和N_min含量的增加提高了底物可利用性，并且MBC（23.2%~194.9%）同步上升可强化微生物酶蛋白的合成能力，进而提高酶活性^［26］。Zhang等^［27］也指出侵蚀区土壤碳获取酶受SOC的限制，进一步说明酶活性受底物可利用性驱动。

此外，3种碳循环酶活性与细菌群落丰富度和多样性显著正相关（p<0.001，图7），表明细菌群落是驱动碳循环酶活性变化的主要生物因子。这一结果与Wei等^［28］关于侵蚀扰动下土壤碳相关酶活性与微生物群落结构变化相关的发现一致。变形菌门、酸杆菌门、放线菌门相对丰度与碳循环酶活性显著相关。已有研究表明这3个类群携带编码碳相关酶的基因是BX， BG， CB活性的重要预测因子，因此微生物群落组成的变化可能通过调控功能基因丰度影响碳循环酶活性^［29］。然而，60—100 cm土层出露后，CB活性降低可能与微生物群落结构调整导致的功能菌群比例下降有关。值得注意的是，BX， BG活性与细菌寡养/富养比值呈显著负相关（p<0.01，图7），表明酶活性升高伴随着细菌群落向以高增长率和高资源利用效率为特征的r策略转变。这是由于底土长期缺乏新鲜有机质，微生物处于低代谢状态，土层出露后DOC（32.1%~634.1%）剧增，利于变形菌等富养型细菌快速响应增殖并分泌糖苷酶，驱动酶活性升高。这一结果与Shang等^［30］研究一致，有机物输入通过激发微生物活动并加速代谢（主要是r策略），导致碳循环酶活性增加。

本研究明确了底土出露时土壤酶活性的变化，从土壤理化性质和微生物群落角度解释了酶活性变化的原因。未来的研究可进一步从功能基因角度考虑以及加强对具体微生物代谢的探究，进一步解释底土出露引起的酶活性变化原因。

4 结 论

本研究通过模拟坡改梯的底土出露试验表明，深层土壤出露的β-木糖苷酶、β-葡萄糖苷酶活性显著增加（112.1%，194.4%），纤维二糖水解酶活性显著降低（65.3%）。深层土壤环境变化（土壤湿度、养分可用性）影响微生物群落结构变异，进而改变碳循环酶活性。底土出露后，3种碳循环酶活性与细菌丰富度和多样性呈显著正相关（p<0.001），并且细菌群落从寡养型向富养型的策略转变（下降28.1%），促进β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶活性提升（p<0.01），是驱动碳分解加速的关键内在机制。细菌群落的这种功能转变比真菌更为显著。上述结果有助于科学评估水土流失区底土出露对土壤碳循环的影响机制，为黄土高原生态恢复和碳管理策略提供科学支撑。

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基金资助

国家重点研发计划(2022YFD1901600)

国家自然科学基金(42107360)